第三章核酸的结构与功能一、核酸是由核苷酸组成的大分子，分子量最小的是转运RNA，核酸分为DNA和RNA两类，DNA主要集中在细胞核中，在线粒体和叶绿体中也有少量DNA。

RNA主要在质中。

对病毒来说，或只含DNA，或只含RNA。

因此可将病毒分为DNA病毒和RNA病毒。

核酸是遗传物质，1868年瑞士Miesher.从脓细胞的细胞核中分离出可溶于碱而不溶于稀酸的酸性物质。

间接证据：同一种生物的不同种类的不同生长期的细胞，DNA含量基本恒定。

直接证据：T2噬菌体DNA感染E.coli。

用35S标记噬菌体蛋白质，感染E.coli，又用32P标记噬菌体核酸，感染E.coli核酸可分为单链（single strand，ss）和双链（double strand，ds）。

DNA一般为双链，作为信息分子；RNA 单双链都存在。

核酸是一种线形多聚核苷酸，基本组成单位是核苷酸。

核苷酸可分解成核苷和磷酸，核苷又可分解为碱基和戊糖。

因此核苷酸由三类分子片断组成。

戊糖有两种，D-核糖和D-2-脱氧核糖。

因此核酸可分为两类：DNA和RNA。

（一）碱基:核酸中的碱基分为两类：嘌呤和嘧啶。

1.嘧啶碱是嘧啶的衍生物，共有三种：胞嘧啶、尿嘧啶和胸腺嘧啶。

其中尿嘧啶只存在于RNA中，胸腺嘧啶只存在于DNA中，但在某些tRNA中也发现有极少量的胸腺嘧啶。

胞嘧啶为两类核酸所共有，在植物DNA中还有5-甲基胞嘧啶，一些大肠杆菌噬菌体核酸中不含胞嘧啶，而由5-羟甲基胞嘧啶代替。

因为受到氮原子的吸电子效应影响，嘧啶的2、4、6位容易发生取代。

2.嘌呤碱由嘌呤衍生而来，常见的有两种：腺嘌呤和鸟嘌呤。

嘌呤分子接近于平面，但稍有弯曲。

自然界中还有黄嘌呤、次黄嘌呤、尿酸、茶叶碱、可可碱和咖啡碱。

前三种是嘌呤核苷酸的代谢产物，是抗氧化剂，后三种含于植物中，是黄嘌呤的甲基化衍生物，具有增强心脏功能的作用。

此外，一些植物激素，如玉米素、激动素等也是嘌呤类物质，可促进细胞的分裂、分化。

一些抗菌素是嘌呤衍生物。

如抑制蛋白质合成的嘌呤霉素，是腺嘌呤的衍生物。

生物体中（A+T）/（G+C）称为不对称比率，不同生物有所不同。

比如人的不对称比率为1.52，酵母为79，藤黄八叠球菌为0.35。

3.稀有碱基:核酸中还有一些含量极少的稀有碱基，大多数是甲基化碱基。

甲基化发生在核酸合成后，对核酸的生物学功能具重要意义。

核酸中甲基化碱基含量不超过5％，tRNA中可达10％。

（二）核苷:核苷是戊糖与碱基缩合而成的。

糖的第一位碳原子与嘧啶的第一位氮原子或嘌呤的第九位氮原子以糖苷键相连，一般称为N-糖苷键。

戊糖是呋喃环，C1是不对称碳原子，核酸中的糖苷键都是β糖苷键。

碱基与糖环平面互相垂直。

糖苷的命名是先说出碱基名称，再加“核苷”或“脱氧核苷”。

由“稀有碱基”所生成的核苷称为“稀有核苷”。

在tRNA中含有少量假尿苷（用Ψ表示）就是由D-核糖的C1’与尿嘧啶的C5相连而生成的核苷。

（三）核苷酸:核苷中的戊糖羟基被磷酸酯化，就形成核苷酸。

核糖核苷的糖环上有三个羟基，可形成三种核苷酸：2’、3’和5’-核糖核苷酸。

脱氧核糖只有3’和5’两种。

生物体内游离存在的多是5’核苷酸。

用碱水解RNA可得到2’和3’核糖核苷酸的混合物。

稀有碱基也可形成相应核苷酸。

天然DNA中已找到十多种脱氧核糖核苷酸，RNA中找到了几十种核糖核苷酸。

（四）多磷酸核苷酸”细胞内有一些游离的多磷酸核苷酸，它们具有重要的生理功能。

5’-NDP是核苷的焦磷酸酯，5’-NTP是核苷的三磷酸酯。

最常见的是5’-ADP和5’-ATP。

ATP上的磷酸残基由近向远以αβγ编号。

外侧两个磷酸酯键水解时可释放出7.3千卡能量，而普通磷酸酯键只有2千卡，所以被称为高能磷酸键（～P）。

因此ATP在细胞能量代谢中起极其重要的作用，许多化学反应需要由ATP提供能量。

高能磷酸键不稳定，在1NHCl中，100℃水解7分钟即可脱落，而α磷酸则稳定得多。

利用这一特性可测定ATP和ADP中不稳定磷的含量。

细胞内的多磷酸核苷酸常与镁离子形成复合物而存在。

GTP,CTP,UTP在某些生化反应中也具有传递能量的作用，但不普遍。

UDP在多糖合成中可作为携带葡萄糖的载体，CDP在磷脂的合成中作为携带胆碱的载体。

各种三磷酸核苷酸都是合成DNA或RNA的前体。

鸟嘌呤核苷四磷酸酯和五磷酸酯在代谢调控中起作用，在大肠杆菌中，它们参与rRNA合成的控制。

（五）环化核苷酸:磷酸同时与核苷上两个羟基形成酯键，就形成环化核苷酸。

最常见的是3',5'-环化腺苷酸(cAMP) 和cGMP。

它们是激素作用的第二信使，起信号传递作用。

可被磷酸二酯酶催化水解，生成相应的5'-核苷酸。

二、核苷酸的结构与命名：核苷酸是由核苷与磷酸经脱水缩合后生成的磷酸酯类化合物，包括核糖核苷酸和脱氧核糖核酸两大类。

最常见的核苷酸为5’-核苷酸（5’常被省略）。

5’-核苷酸又可按其在5’位缩合的磷酸基的多少，分为一磷酸核苷（核苷酸）、二磷酸核苷和三磷酸核苷。

此外，生物体内还存在一些特殊的环核苷酸，常见的为环一磷酸腺苷（cAMP）和环一磷酸鸟苷（cGMP），它们通常是作为激素作用的第二信使。

核苷酸通常使用缩写符号进行命名。

第一位符号用小写字母d代表脱氧，第二位用大写字母代表碱基，第三位用大写字母代表磷酸基的数目，第四位用大写字母P代表磷酸。

规定用三字母符号表示碱基，用单字母符号表示核苷，戊糖的原子用带’的数字编号，碱基用不带’的数字编号。

三、核苷酸的功能:1.作为核酸的成分。

2.为需能反应提供能量。

UTP用于多糖合成，GTP用于蛋白质合成，CTP用于脂类合成，ATP用于多种反应。

3.用于信号传递。

如cAMP、cGMP是第二信使。

4.参与构成辅酶。

如NAD、FAD、CoA等都含有AMP成分。

5.参与代谢调控。

如鸟苷四磷酸等可抑制核糖体RNA的合成。

又如反义RNA。

多聚脱氧核糖核酸。

它的一级结构是它的脱氧核苷酸分子间连接方式及排列顺序，即碱基序列。

2.结构：DNA的一级结构是4种脱氧核苷酸（dAMP、dGMP、dCMP、dTMP）通过3/、5/-磷酸二酯键连接起来的线形多聚体。

就是指DNA分子中脱氧核糖核苷酸的种类、数目、排列顺序及连接方式。

3/、5/-磷酸二酯键是DNA、RNA的主链结构。

前一个核苷酸的3’－羟基与后一个核苷酸的5’－磷酸结合。

链中磷酸与糖交替排列构成脱氧核糖磷酸骨架，链的一端有自由的5’－磷酸基，称为5’端；另一端有自由3’－羟基，称为3’端。

在DNA中，每个脱氧核糖连接着碱基，碱基的特定序列携带着遗传信息。

3.书写：书写DNA时，按从5’向3’方向从左向右进行，并在链端注明5’和3’，如5’pApGpCpTOH3’。

也可省略中间的磷酸，写成pAGCT。

这是文字式缩写。

还有线条式缩写，用竖线表示戊糖，1'在上，5'在下。

（二）、DNA的二级结构1、双螺旋结构的建立.其主要实验依据是Chargaff研究小组对DNA的化学组成进行的分析研究，即DNA分子中四种碱基的摩尔百分比为A=T、G=C、A+G=T+C（Chargaff原则），以及由Wilkins 研究小组完成的DNA晶体X线衍射图谱分析。

1953年Watson和Crick建立了DNA的双螺旋结构模型。

相对湿度92%，DNA钠盐结晶，B—DNA。

相对湿度75%，DNA钠盐结晶，A—DNA。

Z—DNA。

生物体内DNA均为B—DNA。

2、天然DNA的二级结构以B型为主，其结构特征为：①为右手双螺旋，两条链以反平行方式排列；②主链位于螺旋外侧，碱基位于内侧；③两条链间存在碱基互补，通过氢键连系，且A-T、G-C（碱基互补原则）；④螺旋的稳定因素为氢键和碱基堆砌力；⑤螺旋的螺距为3.4nm，直径为2nm。

稳定双螺旋结构的因素：①碱基堆积力（主要因素）形成疏水环境。

②碱基配对的氢键。

GC含量越多，越稳定。

③磷酸基上的负电荷与介质中的阳离子或组蛋白的正离子之间形成离子键，中和了磷酸基上的负电荷间的斥力，有助于DNA稳定。

④碱基处于双螺旋内部的疏水环境中，可免受水溶性活性小分子的攻击。

3、DNA二级结构的不均一性：（1）反向重复序列（回文序列）。

DNA序列中，以某一中心区域为对称轴，其两侧的碱基对顺序正读和反读都相同，即对称轴一侧的片段旋转180°后，与另一侧片段对称重复。

较长的回文结构，在某些因素作用下，可形成茎环式的十字结构和发夹结构。

功能还不完全清楚，但转录的终止作用与回文结构有关。

较短的回文序列，可作为一种特别信号，如限制性核酸内切酶的识别位点。

（2）富含A T的序列。

高等生物中，A+T与C+G的含量差不多相等，但在它们的染色体的某一区域，A T 含量可能很高。

在很多有重要调节功能（不是蛋白质编码区）的DNA区段都富含A T碱基对。

特别是在复制起点和启动的Pribnow框的DNA区中，富含A T对。

这对于复制和转录的起始十分重要，因为G C 对有三个氢键，而A T对只有两个氢键，此处双键易解开。

4、DNA二级结构的多型性:（1）B—DNA：典型的Watson-Crick双螺旋DNA,右手双股螺旋,每圈螺旋10.4个碱基对,螺旋扭角36°,螺距：3.32nm,碱基倾角：1°。

（2）A-DNA：在相对湿度75%以下所获得的DNA 纤维。

A-DNA也是右手双螺旋，外形粗短。

RNA-RNA、RNA-DNA杂交分子具有这种结构。

（3）Z-DNA：左手螺旋的DNA。

天然B-DNA的局部区域可以形成Z0-DNA。

（4）DNA三股螺旋：在多聚嘧啶和多聚嘌呤组成的DNA螺旋区段，序列中有较长的镜像重复时，可形成局部三股螺旋，称H-DNA。

DNA的三链结构常出现在DNA复制、重组、转录的起始或调节位点，第三股链的存在可能使一些调控蛋白或RNA聚合酶等难以与该区段结合，从而阻遏有关遗传信息的表达。

环状DNA：生物体内有些DNA是以双链环状DNA的形式存在，包括：某些病毒DNA、某些噬菌体DNA、某些细菌染色体DNA、细菌质粒DNA、真核细胞中的线粒体DNA、叶绿体DNADNA的超螺旋结构：双螺旋的DNA分子进一步盘旋形成的超螺旋结构称为DNA的三级结构。

绝大多数原核生物的DNA都是共价封闭的环状双螺旋，其三级结构呈麻花状。

在真核生物中，双螺旋的DNA 分子围绕一蛋白质八聚体进行盘绕，从而形成特殊的串珠状结构，称为核小体。

核小体结构属于DNA的三级结构。

DNA的功能：DNA的基本功能是作为遗传信息的载体，为生物遗传信息复制以及基因信息的转录提供模板。

DNA分子中具有特定生物学功能的片段称为基因（gene）。

一个生物体的全部DNA序列称为基因组（genome）。